從襯底到模塊，SiC產(chǎn)值或超過60億美元，功率器件到底藏著多少機會？
根據(jù)Yole的預(yù)測，SiC功率器件將很快占據(jù)整個功率器件市場的30%，到2027年，SiC行業(yè)（從襯底到模塊，包括器件）的產(chǎn)值有望超過60億美元。
各大半導(dǎo)體廠商試圖以不同角度切入這個市場，但是幾年內(nèi)的市場表現(xiàn)證明，只有完全掌握供應(yīng)鏈才能獲得高額附加值，因此IDM模式正變成產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最重要趨勢。
IDM模式一枝獨秀
車規(guī)級SiC出貨量突破一億的意法半導(dǎo)體（ST），2022年的SiC產(chǎn)能比2020年增長了2.5倍以上，就是得益于其堅定執(zhí)行的垂直整合戰(zhàn)略。并且，ST希望在2024年實現(xiàn)40%以上SiC襯底的內(nèi)部供應(yīng)目標(biāo)。
ST圍繞這個戰(zhàn)略制定非常詳細的計劃，具體分為四步走：首先，2019年第四季度完成對Norstel AB 公司（現(xiàn)更名為ST SiC AB）的收購；第二，在2020年第一季度首次內(nèi)部供應(yīng)6英寸襯底；第三，2021年第三季度推出首批8英寸晶圓樣品，預(yù)計2024年前量產(chǎn)；第四，規(guī)劃建設(shè)新廠，目標(biāo)到2024年實現(xiàn)內(nèi)部采購比例超40%。
意法半導(dǎo)體執(zhí)行副總裁、中國區(qū)總裁曹志平認為，對于像SiC這樣的新技術(shù)，盡可能多地控制整個制造鏈非常重要，包括SiC襯底、前工序晶圓制造、后工序封測和定制SiC功率模塊。
與邏輯芯片廠商不同，功率半導(dǎo)體行業(yè)一直是以IDM為主。IDM 模式使得設(shè)計與制造環(huán)節(jié)協(xié)同優(yōu)化，縮短產(chǎn)品開發(fā)時間，并有利于有利于積累制造經(jīng)驗，形成技術(shù)優(yōu)勢。
以SiC制造為例，若IDM廠商在元件端面臨問題，可依循路徑找出上游襯底或磊晶環(huán)節(jié)出了錯，加快制程品質(zhì)的改善，也能有效控制整體成本；若是只做SiC襯底或磊晶的廠商，則需要客戶愿意提供回饋，補足晶圓制造的信息缺口，才能加速推進材料端發(fā)展。
曹志平指出，ST將襯底整合到制造鏈，不僅是為了控制成本和產(chǎn)量，還是為了獲得更好的良率，使得制造業(yè)務(wù)具有更大的靈活性，能更好地跟隨市場需求。
對襯底和外延片廠商Norstel AB的收購是ST進入了SiC供應(yīng)鏈最上游的關(guān)鍵，真正擁有了完整的SiC制造鏈。其他在SiC市場排名靠前的廠商，也都以相似的路徑來進行制造能力的補全。比如，安森美在2021年以4.15億美元收購襯底廠商GT Advanced Technologies，該廠商曾于2019年推出CrystX SiC材料，隨后便與環(huán)球晶、安森美和英飛凌達成長期供應(yīng)協(xié)定。很早就在SiC領(lǐng)域進行研究的羅姆，也是在2009年就收購了SiC襯底供應(yīng)商SiCrystal，使其在全球SiC襯底供應(yīng)榜上位列前三。
擁有襯底制造能力將是走向IDM模式的關(guān)鍵一環(huán)，因為SiC襯底在最終的器件中成本占比最高，且為關(guān)乎產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵。據(jù)統(tǒng)計，在SiC器件的平均成本中，SiC襯底的占比為46%。
而且，SiC襯底也是整個產(chǎn)業(yè)鏈中技術(shù)壁壘最高的環(huán)節(jié)。SiC襯底生產(chǎn)需要高度專業(yè)化和技術(shù)復(fù)雜的生產(chǎn)流程，涉及到多個步驟，包括材料制備、襯底切割和拋光等。整個生產(chǎn)流程需要嚴格控制各個環(huán)節(jié)的參數(shù)和工藝，確保襯底質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。同時，襯底生產(chǎn)的技術(shù)難度和成本也很高，這也使得襯底生產(chǎn)在整個SiC價值鏈中具有相當(dāng)高的附加值。掌握襯底制造能力，就在產(chǎn)業(yè)中擁有了更大的話語權(quán)。
其他行業(yè)往往是下游利潤更高，但是SiC襯底是整個產(chǎn)業(yè)鏈中技術(shù)門檻較高的一環(huán)，即使良率在未來有提升，超額利潤也多半給襯底廠商賺走，再加上襯底對整個供應(yīng)鏈安全至關(guān)重要，因此才使得各大廠商紛紛在此押注。
電動汽車加速滲透，SiC 需求超百萬片
新能源汽車系統(tǒng)架構(gòu)中涉及到功率半導(dǎo)體應(yīng)用的組件包括：電機驅(qū)動系統(tǒng)、車載充電 系統(tǒng)（OBC）、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車載 DC/DC）和非車載充電樁。碳化硅器件應(yīng)用于電機 驅(qū)動系統(tǒng)中的主逆變器、車載充電系統(tǒng)和電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，能夠有效降低開關(guān)損耗、提高極 限工作溫度、提升系統(tǒng)效率。2020 年，特斯拉 Model3 以及比亞迪漢已經(jīng)采用碳化硅功率 模塊，特斯拉 Model 3 是第一個集成全 SiC 功率模塊的車企，主要采購意法半導(dǎo)體的 650V 碳化硅功率器件，特斯拉逆變器由 24 個 1-in-1 功率模塊組成。預(yù)計隨著成本下降，未來 越來越多的電動汽車將采用碳化硅模塊。
對比 Si IGBT 和 SiC MOSFET 在電動車領(lǐng)域的應(yīng)用，相同規(guī)格的碳化硅基 MOSFET 較硅基 IGBT 的功率損耗降低了 70%以上，效率提升了 1-3%。此外，SiC 器件的工作結(jié) 溫在 200℃以上，工作頻率在 100kHz 以上，耐壓可達 20kV，這些性能都優(yōu)于傳統(tǒng)硅器件； 碳化硅器件體積可減小到 IGBT 整機的 1/3-1/5，重量可減小到 40-60%。隨著新能源汽車 的發(fā)展，對功率器件需求量日益增加，成為功率半導(dǎo)體器件新的增長點。
制約碳化硅器件替代速度的主要原因是成本，然而碳化硅器件與傳統(tǒng)硅基器件差價正 在持續(xù)縮小。SiC SBD 產(chǎn)品價格由 2017 年的 4.1 元/A 下降到了 2020 年的 1.58 元/A，與 硅基器件的差價在 3.8 倍左右。從 2019 年到 2020 年，1200V 和 1700V 的 SiC MOSFET 的平均價格跌幅達到 30%-40%，有助于加速碳化硅 MOS 器件的市場滲透。
碳化硅器件的優(yōu)良性能加速碳化硅在電動車功率模塊領(lǐng)域的滲透。碳化硅功率器件應(yīng) 用于電機驅(qū)動系統(tǒng)中的主逆變器，能夠顯著降低電力電子系統(tǒng)的體積、重量和成本，提高 功率密度。相比 Si 基 IGBT 器件，主逆變器搭載 SiC 基 MOSFET 之后，提升系統(tǒng)的效率， 節(jié)電 5%-10%，至少 5000 元的節(jié)省空間。特斯拉的 Model3 的主逆變器采用了共 48 顆SiC MOSFET，總成本約為 5000 元，相較于 Si IGBT 單車功率半導(dǎo)體價值為 3000 元對 比，僅節(jié)電角度考慮，碳化硅功率器件帶來至少 2000 元的節(jié)省空間。 此外，Wolfspeed 測算，在 11kW OBC 系統(tǒng)中，相較于硅基功率半導(dǎo)體方案，碳化 硅基 OBC 的成本更低，可帶來約 435 美元的節(jié)約。2018 年全球已有超過 20 家的汽車廠 商在 OBC 中使用了 SiC 肖特基二極管或 SiC MOSFET。
SiC 在新能源車領(lǐng)域滲透率及用量持續(xù)提升，預(yù)計 2025 年國內(nèi)新能源車需要的 SiC 晶圓片數(shù)量將達 118 萬片左右。新能源汽車領(lǐng)域，2021 年使用碳化硅 MOSFET 的車型主 要為特斯拉 Model 3 和比亞迪漢，根據(jù)電動汽車銷量跟蹤機構(gòu) CleanTechnica 數(shù)據(jù)，2021 年 Model 3 和比亞迪漢市場份額占比約 9%，即 2021 年電動車的碳化硅 MOSFET 滲透率 約 9%，我們預(yù)計滲透率未來以每年 3%的速度增長，到 2025 年約為 21%。Model 3 主逆 變器電力模塊使用共 48 顆 SiC MOSFET，加上車載充電系統(tǒng)（OBC）、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車 載 DC/DC），我們估算一輛車所用 SiC 芯片數(shù)量在 60 顆以上，一片 6 寸 SiC 對應(yīng) 4-5 臺 電動汽車所需的 MOSFET，即 2021 年每輛電動車所需要的 SiC 晶片數(shù)量約 0.24 片。未 來，一方面隨著雙電機電動車占比增加，對 SiC 需求量仍有提升空間；一方面，特斯拉提 出在新一代產(chǎn)品上減少 SiC 器件用量，可能在遠期對新車型上 SiC 用量有影響，現(xiàn)有車型 影響不大。以三年維度看，我們假設(shè)該數(shù)字將以每年 0.03 的數(shù)額緩慢增加。我們預(yù)測，到 2025 年國內(nèi)新能源車需要的 SiC 晶圓片數(shù)量將達 117.94 萬片。
功率半導(dǎo)體的機會
功率半導(dǎo)體包括功率半導(dǎo)體分立器件（含模塊）以及功率 IC等。其中，功率半導(dǎo)體分立器件，按照器件結(jié)構(gòu)劃分，可分為二極管、晶閘管和晶體管等。
據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，功率半導(dǎo)體分立器件中，以 MOSFET和IGBT為代表的晶體管占比最大，約 28.8%。
據(jù) Yole 數(shù)據(jù)預(yù)測，至 2025 年，全球功率半導(dǎo)體分立器件和模塊的市場規(guī)模將分別達到76億美元和113億美元。據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)數(shù)據(jù)，2023年中國大陸地區(qū)IGBT市場規(guī)模預(yù)計達到290.8億元，同比增長11.6%。據(jù)中國半導(dǎo)體器件行業(yè)現(xiàn)狀深度分析與未來投資預(yù)測報告數(shù)據(jù)，2023年中國大陸地區(qū) MOSFET市場規(guī)模將達到396.2億元（56.6億美元，人民幣兌美元匯率按照7 計算），同比增長4.8%。
以MOSFET為例，據(jù)Yole預(yù)測，到2026年，全球 MOSFET（包括分立器件和模塊）市場總規(guī)模預(yù)計將達到 94.8 億美元，復(fù)合增長率達 3.8%（2020 年至 2026年）。
MOSFET 汽車應(yīng)用（電動汽車和汽車充電樁）占比居首位，高達 33%，其中電動汽車和充電樁分別占比 25%和 8%。從耐壓范圍看，到 2026 年，低壓 MOSFET（0-40V）占總需求的 39%，中壓（41V-400V）占 26%，高壓（大于等于 600V）廣泛應(yīng)用在 220V 系統(tǒng)中，占總需求的 35%。同時，SiC MOSFET 和 GaN MOSFET市場滲透率在逐步提高。
2020 年以來，電動汽車、汽車充電樁和光伏逆變器可謂拉動功率半導(dǎo)體增長的三駕馬車。
電動汽車：電動汽車進一步滲透終端消費市場，帶動功率器件和模塊需求快速增長。特別是 MOSFET 和 IGBT（包括單管及模組）的增長較為顯著。據(jù)貝殼投研數(shù)據(jù)，2021年中國車規(guī)級 IGBT 市場規(guī)模為47.8億元，預(yù)計到2025年，其將達到151.6億元。據(jù)芯謀研究數(shù)據(jù)，2021年和2025年中國車規(guī)MOSFET的市場規(guī)模分別為73.5億元（10.5億美元，匯率按7計算）和122.5億元（預(yù)測數(shù)據(jù)，17.5億美元，匯率按7計算）。
充電樁：受益于新能源汽車快速增長，與之配套的充電樁市場亦呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢。據(jù)億渡數(shù)據(jù)預(yù)測，至2026年，中國充電設(shè)施市場規(guī)模將達2870.2億元，2022 年到2026年復(fù)合增長率高達37.83%。從直流充電樁相關(guān)零部件分解可以看出，充電機是充電樁的最核心部件，成本占充電樁的 50%以上，而功率半導(dǎo)體是充電機的最核心組成部分，成本占充電機的一半以上。
光伏：據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，至2025年，中國新增光伏裝機保守預(yù)測為90GW，同比增長10%。據(jù)未來智庫數(shù)據(jù)預(yù)測，2025年中國光伏逆變器市場規(guī)模達196億元。
逆變器是光伏系統(tǒng)的心臟，中高壓MOSFET、IGBT及碳化硅等功率器件是光伏逆變器的核心，其決定著光伏逆變器的性能高低，進而直接影響光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定性、發(fā)電效率以及使用壽命。據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，光伏逆變器主要由機械件、電感和半導(dǎo)體器件構(gòu)成，分別占比 27.6%、14.2%、11.8%。
綜上，在電動汽車、充電樁以及光伏逆變器等多輪驅(qū)動下，功率器件有望穩(wěn)健增長，為千億賽道奠定堅實路基。
